双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计-红外技术

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

姚 波，袁立银，亓洪兴，舒 嵘

（中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室上海 20083）

摘要：提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统，该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成，设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统，不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求，而且提高了系统的光学效率，使系统结构更加紧凑，双通道光谱仪均采用棱镜-全息透射光栅-棱镜分光组件分光，实现了宽光谱分光，提高了衍射效率，系统实现光谱范围覆盖450～2500 nm，全视场达23.9°。

关键词：光学系统设计；双通道成像光谱仪；离轴三反射；棱镜-全息透射光栅-棱镜

中图分类号：TH744.1 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2013)07-0419-06

Optical Design of a Dual-channel Imaging Spectrometer Sharing the

Off-axis TMA System

YAO Bo，YUAN Li-yin，QI Hong-xing，SHU Rong

(Key Laboratory of Space Active Opto-Electronics Technology, Shanghai Institute of Technical Physics, CAS, Shanghai 200083, China)

Abstract：This paper presents an optical system for a dual-channel pushbroom hyperspectral imaging spectrometer which shared a main optics. This optical system consists of the main optics, slit, collimator, dichroic mirror and the optical components of VISNIR and SWIR. The two channels sharing off-axis Three-Mirror Anastigmatic (TMA) telescope system is designed, which is not only to meet the requirements of the imager about field of view, wide spectra, but also to improve the optical efficiency and make the system more compact. Prism Grating-Prism (PGP) components are used to achieve a wide spectrum spectrophotometry and high diffraction efficiency, whose response covers the range from 450 to 2500nm with a 23.9° field of view.

Key words：optical design，imaging spectrometer，off-axis three-mirror system，Prism Grating-Prism(PGP)

0引言

近年来随着对地观测的需求和光电技术的进步，成像光谱仪已发展成为新一代遥感仪器，它将传统二维成像技术与光谱仪技术有机结合，能在获取地物二维空间几何信息的同时，以高光谱分辨率获取目标的光谱信息，具有超多波段、高光谱分辨力、高空间分辨力的特点，比多光谱图像包含了更丰富的地物目标信息。因此，高光谱成像在地质地理、植被调查、大气探测、海洋遥感、农业科技，环境监测、减灾防灾及军事应用等方面具有广泛应用前景[1]。

国内外比较典型的高光谱成像仪仪器有美国JPL实验室的A VIRIS[2]，中国的OMIS[3]，PHI[4]，德国的DAIS[5]等。星载高光谱成像仪主要以美国为主，典型的如EO-1卫星的Hyperion[6]，海军NEMO 卫星的岸带高光谱成像仪COIS[7]，以及火星勘探成像光谱仪CRISM[8]和月球矿物制图仪Moon Mineralogy Mapper[9]等，谱段主要集中在可见近红外-短波红外，这些高光谱成像仪提供的丰富高光谱数据已在多个应用领域发挥了重要作用。

在高光谱成像仪的研制过程中，研制成败的一个关键环节就是光学系统的选择和设计，直接影响着仪器的性能、体积和质量。对于传统的望远系统设计，有折射系统和反射系统2种选择，其中折射系统需要采用特殊的材料和结构来消除二级光谱色差，反射系统不产生色差，孔径、焦距都可以做得很大，且宜于轻量化。现有的两反系统虽然结构形

419

420 式简单，但系统自变量少，只有轴上点成像符合理想，视场不能做得很大。不能满足大视场、大相对孔径的要求。在三反系统中，同轴三反射系统虽然结构比较简单，但成像质量受次镜的遮拦影响较大，辐射利用率也不高，降低了光学系统的分辨率，一方面不能有很大的视场，另一方面还要增加口径来保证有一定的接收辐射能量。针对这些问题，本文对高光谱成像仪光学系统的选择进行说明，给出了一个共用离轴三反射光学系统的双通道高光谱成像仪设计结果。

1 应用要求及主要技术指标

本推帚式高光谱成像仪要求对450～2500 nm 光谱范围内的地物特性进行高光谱成像探测，并开展在水、土、农、林、矿等资源、环境、海洋领域的初步应用。

系统的主要技术指标如表1所示。

表1 主要技术指标 Table 1 Primary specifications

可见近红外

短波红外

光谱范围 450～950 nm 950～2500 nm

焦距 40 mm 37.5 mm 全视场 23.9° 23.9°

F 数 3.4 3.4 狭缝尺寸 16 mm ×30 μm 16 mm ×30 μm

物镜

共用离轴三反射镜 FPA 像元尺寸 16 μm 30 μm

空间维 1024元 500元

波段数 128 256 光谱分辨率

4.6 nm 6.1 nm

2 设计思想

该系统由离轴三反射镜（TMA ）主光学望远系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外（VISNIR ）光谱仪后光学和短波红外（SWIR ）光谱仪后光学组成，光谱仪采用棱镜-全息透射光栅-棱镜（PGP ）分光方式。

2.1 工作原理

地物辐射信号经过离轴三反射主光学系统会聚，成像在狭缝平面上，经准直镜、转折镜后，由分色镜分成VISNIR 波段和SWIR 波段。VISNIR 波段透射进入VISNIR 通道经PGP 分光后会聚成像到可见近红外探测器上。SWIR 波段透射进入SWIR 通道经PGP 分光后会聚成像到短波红外探测器上。此时，面阵探测器中的一维完成空间成像，称为空间维，另一维完成光谱成像，称为光谱维，再经由平台向前（Y 方向）运动而完成大范围的推帚成像，如图1。

2.2 离轴三反系统

离轴三反射镜（TMA ）望远系统采用视场离轴的三反系统[10-11]，TMA 系统根据离轴方式不同分为光阑离轴和视场离轴两种类型。光阑离轴的TMA 系统，孔径光阑在主镜上，一般有中间像面，光学系统很不对称，所以视场角不能做太大。视场离轴的三反系统，孔径光阑放在次镜上，使光学系统比较对称，视场角可以设计成很大，成像质量好，并且容易实现像方远心。因此根据高光谱成像仪的望远系统的特点，选择视场离轴的TMA 系统作为其

图1 推帚式成像光谱仪原理图 Fig.1 Sketch of pushbroom imaging spectrometer